畢業(yè)論文：智能壓力傳感器系統(tǒng).doc

大慶石油學(xué)院華瑞學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘要如今伴隨著計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)特別是多傳感器計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展，智能傳感器系統(tǒng)作為一個(gè)與之相應(yīng)的新興研究方向，正受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。然而，雖然近年來它的研究與開發(fā)已取得一定成果，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需求，尤其在壓力測(cè)量領(lǐng)域更是急待發(fā)展。隨著壓力測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展，現(xiàn)有的傳統(tǒng)壓力傳感器已無法滿足要求，而集信息采集、信息處理和數(shù)字通信功能于一身，能自主管理，具有智能化特性的智能壓力傳感器系統(tǒng)已成為生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)展的迫切需求。本文對(duì)智能壓力傳感器系統(tǒng)理論及其在壓力測(cè)量方面的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，提出一種新型智能壓力傳感器系統(tǒng)，并對(duì)其智能化功能、硬件配置和智能化軟件進(jìn)行了全面的設(shè)計(jì)。智能化壓力傳感器系統(tǒng)采用集成度高，功能強(qiáng)大的新型微處理器控制，其內(nèi)部集成了大量的模擬和數(shù)字外圍模塊，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。電路內(nèi)配置了為實(shí)現(xiàn)多功能智能化所必需的硬件，并全部采用低價(jià)格、小體積器件，還將所有電路設(shè)計(jì)在一片電路板上，再與傳感元件組裝在一起，從麗使整個(gè)系統(tǒng)在保證智能化功能的前提下，具有體積小、成本低、一體化和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。本文研究的智能壓力傳感器系統(tǒng)具有體積小、成本低、可靠性好、響應(yīng)速度快、智能化程度高等特點(diǎn)，效果良好，在眾多壓力測(cè)控系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：智能傳感器；壓力；微處理器Abstract With the development of computer control system，especially of the system with multisensor,the intelligent sensor or smart sensor，as a new research field，is attracting more and more peopleS attentionAlthough some achievement in thefield has been obtained recently,the results are far from application requirements，even worse in the measurement of pressure areaWith the development of apres sure control system，the existing traditional pressure sensor has not met the need，however the smart sensor that has the functions of data collection，information processing，digital communication and self-governing has been imminent demand of the development of productive practiceAfter the theory of smart sensors for pressure measurement has been deeply studied，a new kind of a smart sensor for measuring pressure is developed in this paper to improve this situation，and its overall design of intelligent functions and hardware and software are also described in detail A microprocessor with powerful functions and higher integration is used as the main control unitLarge numbers of analog and digital peripheral circuits have been also integrated inside，SO the microprocessor has the powerful ability of data processingAll components of the sensor,some of which are necessary for the multiple and intelligent functions，are selected ones with low cost and small packageAll circuits are designed in fl piece of PCB and the PCB is installed with the pressure detector togetherThe smart sensor then obtains the advantages of small dimension，low cost and higher antidisturbance ability The smart sensor for measuring pressure designed in this paper has the advantages of small size，low cost，higher performance and response speed，and higher level of intelligenceThe result shows that its performance is perfect.So we expect that the smart sensor can have broad future applications in many measuring and controlling systems for pressure Key words ：smart sensorl; pressure; microprocessor第1章概述1.1壓力傳感器的概述1.1.1壓力傳感器的定義傳感器是能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的轉(zhuǎn)換規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號(hào)的器件或裝置。傳感器的一般組成如圖1-1所示。圖1-1傳感器的組成壓力傳感器是以壓力為被測(cè)量，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，它具有廣泛的用途。1.1.2壓力傳感器的結(jié)構(gòu)根據(jù)壓力傳感器的定義及其原理分析，我們可以看到適合于做壓力傳感器的材料是多種多樣的。顯然，這種多樣性決定了其結(jié)構(gòu)上的差異。不同的材料把壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的物理規(guī)律并不是相同的，我們可以在研究壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理同時(shí)，就要考慮到這種差異，下面介紹幾種常見的彈性體壓力傳感器的結(jié)構(gòu)：(1)彈性圓柱敏感元件(實(shí)心和空心)；(2)懸臂粱；(3)圓形膜片和膜盒。1.1.3壓力傳感器的分類對(duì)壓力傳感器進(jìn)行分類，首先應(yīng)該遵循一定的分類標(biāo)準(zhǔn)。我們通常按工作原理來分類，可以分為：壓阻式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器、智能式壓力傳感器等。當(dāng)然，我們也可以采用所使用的材料對(duì)壓力傳感器進(jìn)行分類：余屬壓力傳感器、半導(dǎo)體壓力傳感器、金屬氧化物壓力傳感器、光學(xué)壓力傳感器等，還有其他一些分法，這里就不一一介紹了。壓阻式壓力傳感器是應(yīng)用最廣泛的壓力傳感器之一。壓阻式壓力傳感器是利用硅的壓阻效應(yīng)和微電子技術(shù)制成的，它具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、準(zhǔn)確度高、易于微型化和集成化等特點(diǎn)，是獲得廣泛應(yīng)用，而且是發(fā)展迅速的一種新的物性型傳感器。早期的壓阻傳感器是利用半導(dǎo)體應(yīng)變片制成的粘貼型壓阻傳感器。70年代以后，研制出周邊固支的力敏電阻與硅膜片一體化的擴(kuò)散型壓阻傳感器。它易于批量生產(chǎn)，能夠方便地實(shí)現(xiàn)微型化、繼承化和智能化。因而，它成為受到人們普遍重視并重點(diǎn)開發(fā)的具有代表性的新型傳感器。1.1.4傳統(tǒng)壓力傳感器的局限性傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)為了提高其性能，在制作材料方漸必須滿足多品種、高性能的要求，這就使得其成本居高不下，而且對(duì)制作過程要求非常嚴(yán)格。傳統(tǒng)壓力傳感器的性能價(jià)格比不可能再有大的提高，并且在以下幾方面存在嚴(yán)重不足：(1)因結(jié)構(gòu)尺寸大，而時(shí)間(頻率)響應(yīng)特性差；(2)輸入-輸出特性存在非線性，且隨時(shí)間而漂移；(3)參數(shù)易受環(huán)境條件變化的影響而漂移；(4)信噪比低，易受嗓聲干擾；(5)存在交叉靈敏度，選擇性、分辨率不高。以上不足是傳統(tǒng)壓力傳感器性能不穩(wěn)定、可靠性差、精確度低的主要原因，也是傳統(tǒng)壓力傳感器必被取代的原因。1.2智能化壓力傳感器的概述1.2.1智能化壓力傳感器的定義所謂智能壓力傳感器就是一種帶有微處理器(單片機(jī))的，兼有信息檢測(cè)、信號(hào)處理、信息記憶、邏輯思維判斷功能的壓力傳感器。顯然，智能壓力傳感器具有較強(qiáng)的信息處理功能的能力，這主要是通過微處理器的程序來完成的，也就是說智能壓力傳感器是硬件電路和軟件程序結(jié)合的產(chǎn)物。因此，智能壓力傳感器是既有獲得信息的能力又有信息處理功能的傳感器系統(tǒng)。智能壓力傳感器具備學(xué)習(xí)、推理、感知、通訊及管理的功能，其典型結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。圖1-2智能傳感器的典型結(jié)構(gòu)框圖1.2.2智能化壓力傳感器的類型智能壓力傳感器是微處理器和壓力傳感器的結(jié)合。因此，根據(jù)它們的實(shí)現(xiàn)途徑可分為：非集成化的智能壓力傳感器、集成化的智能壓力傳感器和混合型的智能壓力傳感器。非集成化的智能壓力傳感器是把傳統(tǒng)的壓力傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、帶數(shù)字總線接口的微處理器組合成一整體而構(gòu)成的一個(gè)智能壓力傳感器系統(tǒng)。這種非集成化的智能壓力傳感器實(shí)際上就是在傳統(tǒng)的壓力傳感器系統(tǒng)上增加了微處理器的連接。因此，這是一種實(shí)現(xiàn)智能壓力傳感器系統(tǒng)最快的途徑和方式。集成化智能壓力傳感器是采用微機(jī)械加工技術(shù)以及大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，利用硅作為基本材料來制作敏感元件、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器單元，并把它們集成在一塊芯片上而構(gòu)成的。隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，以及隨著微米/納米技術(shù)的采用，由此而制作出的智能壓力傳感器具有微型化、結(jié)構(gòu)一體化、精確度高、多功能、陣列式、全數(shù)字化、使用方便、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)?；旌鲜街悄軌毫鞲衅魇歉鶕?jù)需要與可能，將系統(tǒng)各個(gè)集成化環(huán)節(jié)，如敏感單元、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器單元、數(shù)字總線接口，以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上，并裝在一個(gè)外殼罩?；旌霞蓪?shí)現(xiàn)智能化是一種非常適合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的智能化途徑。1.2.3智能化壓力傳感器的功能在智能壓力傳感器系統(tǒng)中，微處理器能夠按照給定的程序?qū)鞲衅鲗?shí)現(xiàn)軟件控制，把傳感器從單一功能變?yōu)槎喙δ?。智能壓力傳感器一般具有以下基本功能：?shù)據(jù)處理功能：智能壓力傳感器不僅能對(duì)各個(gè)被測(cè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，而且能夠根據(jù)己知被測(cè)參數(shù)求出未知參數(shù)，并能夠自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)平衡、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)?。自?dòng)診斷功能：這是智能壓力傳感器的重要功能，智能壓力傳感器通過其故障診斷軟件和自檢軟件，自動(dòng)對(duì)傳感器和系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行定期和不定期的檢測(cè)、測(cè)試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，協(xié)助診斷發(fā)生故障的原因、位置，并給予操作提示。軟件組態(tài)功能：智能壓力傳感器由于采用了微處理器，所以它不僅要有必要的硬件組成，例如檢測(cè)、放大、A/D、D/A、通訊接口等，而且還有軟件資源用于控制和處理數(shù)據(jù)。在智能壓力傳感器中，設(shè)鬣有多模塊化的硬件和軟件，用戶可以通過微處理器頒布命令，改變傳感器的硬件模塊和軟件模塊的組合狀態(tài)，已達(dá)到不同的應(yīng)用目的，完成不同的功能，增加了傳感器的靈活性和可靠性。接口功能：智能壓力傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)化接口，統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)容易通過RS-232、RS-485、HART等總線和上位機(jī)進(jìn)行通信。這樣，可以由遠(yuǎn)距離中央控制計(jì)算機(jī)來控制整個(gè)系統(tǒng)的工作，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行遙控，也可以將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)方用戶。人機(jī)對(duì)話功能：將計(jì)算機(jī)、智能壓力傳感器、儀表組合在一起，配備各種顯示裝置和輸入鍵盤，使系統(tǒng)具有靈活的人機(jī)對(duì)話功能進(jìn)行人機(jī)對(duì)話配合操作人員指導(dǎo)工作，減少操作失誤和讀數(shù)失誤。及時(shí)進(jìn)行修改。信息存儲(chǔ)和記憶功能：智能壓力傳感器具有信息存儲(chǔ)、記憶功能，能把測(cè)量參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)通過RAM和EEPROM進(jìn)行存儲(chǔ)。為了防止數(shù)據(jù)在掉電后自動(dòng)消失，智能壓力傳感器中具有備用電源，當(dāng)系統(tǒng)掉電后，能夠把后備電源接入RAM，保護(hù)數(shù)據(jù)不丟失。1.2.4智能化壓力傳感器的特點(diǎn)(1)精確度高：智能壓力傳感器有多項(xiàng)功能來保證它的高精確度；智能壓力傳感器系統(tǒng)通常都具有自選量程、自校準(zhǔn)、自動(dòng)修正各類誤差、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙δ?，這些功能通過軟件來解決，明顯比硬件解決要好。(2)高可靠性和高穩(wěn)定性：智能壓力傳感器能自動(dòng)因工作條件和環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化后引起系統(tǒng)特性的漂移，具有自動(dòng)切換量程、自診斷、判斷和決策處理等功能。(3)高信噪比和高分辨率：智能壓力傳感器具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、記憶與信息處理功能，能夠通過軟件進(jìn)行數(shù)字濾波、相關(guān)分析等處理，它可以去除輸入數(shù)據(jù)中的噪聲，可以通過數(shù)據(jù)，這樣保證了對(duì)特定參數(shù)測(cè)量的分辨能力。(4)強(qiáng)自適應(yīng)性：智能壓力傳感器具有判斷、分析與處理功能，它根據(jù)系統(tǒng)工作情況決策各部分的供電情況和與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速率，從而使系統(tǒng)在最有低功耗狀態(tài)和優(yōu)化傳送率，而且它具有多種自補(bǔ)償功能。(5)設(shè)計(jì)制造容易，使用維修簡(jiǎn)單：由于智能壓力傳感器的大部分功能都是通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)的，而它的硬件電路相對(duì)來講是比較簡(jiǎn)單，且制造容易。同樣，若智能壓力傳感器出現(xiàn)故障，除本身具有自尋故障，發(fā)出警報(bào)功能外，對(duì)它進(jìn)行維修主要就是優(yōu)化軟件程序。(6)集中控制：由于智能壓力傳感器采用微處理器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，而且微處理器具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和控制能力，通過它的軟件程序使微處理器得到充分的利用，這樣就可以使智能壓力傳感器系統(tǒng)的多種功能協(xié)調(diào)起作用，從而保證了它優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮。由此，我們可以看到這是一種非常集中的方式。(7)靈活性強(qiáng)：以軟件為主體的智能壓力傳感器不僅在使用方便，功能多樣化等方面呈現(xiàn)出很大的靈活性，而且在其性能方面，由于其控制軟件或運(yùn)算軟件易于修改，也是它的性能易于改變。(8)高性能價(jià)格比：智能壓力傳感器所具有的上述多種功能，并不是像傳統(tǒng)傳感器技術(shù)那樣追求傳感器本身的完善，對(duì)傳感器的各個(gè)環(huán)境進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和調(diào)試，進(jìn)行“手工藝品”式的精雕細(xì)琢來獲得，而是通過微處理器與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，采用廉價(jià)的集成電路工藝和芯片以及強(qiáng)大的軟件來實(shí)現(xiàn)的。1.3壓力傳感器研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)1.3.1國(guó)外壓力傳感器技術(shù)的現(xiàn)狀傳感器技術(shù)是現(xiàn)代測(cè)量和自動(dòng)化技術(shù)的重要技術(shù)之一。從宇宙探索到海洋開發(fā)，從生產(chǎn)過程的控制到現(xiàn)代文明生活，幾乎每一項(xiàng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)都離不開傳感器。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、科技等各個(gè)領(lǐng)域，傳感器技術(shù)都得到了廣泛的應(yīng)用，并展現(xiàn)出極其廣闊的前景。因此。許多國(guó)家對(duì)傳感器技術(shù)的發(fā)展十分重視。例如在日本傳感器技術(shù)被列為六大核心技術(shù)(計(jì)算機(jī)、通信、激光、半導(dǎo)體、超導(dǎo)和傳感器)之一，并且是將傳感器列為十大技術(shù)之首；美國(guó)將90年代看作是傳感器時(shí)代，將傳感器技術(shù)列為90年代22項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一。我國(guó)對(duì)傳感器的研究也有二十多年的歷史并取得了很大的成就。目前，在“科學(xué)技術(shù)就是第一生產(chǎn)力”的思想指引下，各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，傳感器技術(shù)也越來越受到各方面的重視，雖然在某些方面已趕上或者接近世晃先進(jìn)水平。但是從總體來看，與國(guó)外傳感器技術(shù)的發(fā)展相比，我國(guó)對(duì)傳感器技術(shù)的研究和生產(chǎn)還比較落后，現(xiàn)正處于方興未艾的階段。據(jù)了解，1994年世界傳感器市場(chǎng)總的交易額高達(dá)260億美元，并且在2000年以的前，世界傳感器市場(chǎng)規(guī)模年增幅為7以上，其中高檔的傳感器增幅可達(dá)18以上，而那些采用微機(jī)械加工技術(shù)和微系統(tǒng)技術(shù)等高新技術(shù)制造的各類型新型智能傳感器其年增長(zhǎng)率可達(dá)30以上。從市場(chǎng)銷售情況來看，壓力傳感器占第一位。利用硅材料制作的半導(dǎo)體傳感器除具有固體傳感器的一般優(yōu)點(diǎn)以外，還可以把一些集成電路與傳感器制作在一起從而構(gòu)成集成化傳感器。集成電路部分若制作了微處理機(jī)，則形成智能化傳感器。到目前為止，高精確度、高可靠性、小型化、低成本的智能傳感器已成為世界傳感器市場(chǎng)的主流。1.3.2我國(guó)壓力傳感器技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)入90年代，發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)傳感器在信息社會(huì)中的作用有了新的認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)，我國(guó)的八六三科技攻關(guān)計(jì)劃中也將傳感器的研究放在重要位景上。盡管我國(guó)經(jīng)濟(jì)還比較落后，但國(guó)家每年還要拿出大量的資金來對(duì)傳感器進(jìn)行研究。目前我國(guó)從事傳感器生產(chǎn)的廠家有1300家，所生產(chǎn)的產(chǎn)品種類有300余種，產(chǎn)量1億多只。由于眾多廠家規(guī)模小、設(shè)備落后、國(guó)家投入的資金不足而且比較分散，因而與世界上大的傳感器廠無法抗衡，科研水平也落后國(guó)外510年，而生產(chǎn)技術(shù)水平落后國(guó)外1020年，與世界上傳感器更新?lián)Q代的速度相比，落后幾個(gè)周期。從而導(dǎo)致品種不全，產(chǎn)量過低，僅滿足國(guó)內(nèi)需求的2030。據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，90年代我國(guó)電子系統(tǒng)共需各類傳感器140萬件，化工80萬件，鋼鐵130萬件，能源管理與爐窯控制需要4000萬件，汽車行業(yè)需要4400萬件，機(jī)床行業(yè)需1500萬件，文化辦公機(jī)械需200萬件，各類儀器儀表所配用的傳感器約需3億件。雖說我國(guó)傳感器技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家傳感器技術(shù)相比還比較落后，但并不是說我國(guó)的傳感器特性都不如國(guó)外的好。綜合近期發(fā)表的文獻(xiàn)，國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體壓力傳感器的特性參數(shù)有所提高，以矩形雙島膜結(jié)構(gòu)的6000Pa量程微壓傳感器特性為例，非線性為510-4FS(滿量程)滯后，重復(fù)性均小于5104FS，分辨率優(yōu)于20Pa，過壓保護(hù)范圍大于20倍量程。對(duì)量程為100kPa的壓力傳感器，非線性、滯后、重復(fù)性均小于510-FS。硅-蘭寶石、高溫硅壓力傳感器的工作溫度分別達(dá)到-50300和0400。壓敏器件的可靠性MTTF已達(dá)到較好水平。元器件的品種增多，測(cè)壓范圍已拓展，已有微壓、表壓、高壓、絕對(duì)壓力、差壓等力敏元件及其配套儀表問世。1.3.3壓力傳感器的發(fā)展趨勢(shì)目前智能壓力傳感器發(fā)展主要?dú)w為以下五個(gè)方面：(1)小型化：小型化會(huì)帶來很多好處，重量輕、體積小、分辨率高，便于安裝在很小的地方；對(duì)周圍器件影響小，也利于微型儀器、儀表的配套使用。(2)集成化：可以利用現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝和成熟的集成技術(shù)，把電路與傳感器制作在一起，減少工藝流程以降低生產(chǎn)成本，而且不易損環(huán)。(3)智能化：由于集成化的出現(xiàn)。在集成電路部分制作一些微處理器，使其具有“記憶”、“思維”、“處理”等能力。目前智能化產(chǎn)品發(fā)展很快，它將成為未來傳感器市場(chǎng)的主流。(4)系列化：?jiǎn)我换a(chǎn)品在市場(chǎng)上沒有大的競(jìng)爭(zhēng)力和長(zhǎng)久的生命力。市場(chǎng)風(fēng)云突變，一旦失去市場(chǎng)，發(fā)展則停滯不前，經(jīng)濟(jì)效益差，資金浪費(fèi)大，產(chǎn)品成本高。(5)標(biāo)準(zhǔn)化：傳感器技術(shù)已形成標(biāo)準(zhǔn)化。如IEC、ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；美國(guó)ANSIC、ANSC、MILT和ASTME標(biāo)準(zhǔn)；同本JIS標(biāo)準(zhǔn)；法國(guó)DIN標(biāo)準(zhǔn)；原蘇聯(lián)TOCT及YTO標(biāo)準(zhǔn)。1.4本文研究的內(nèi)容及其意義智能傳感器系統(tǒng)就是為了適應(yīng)這類系統(tǒng)的發(fā)展而提出和發(fā)展起來的一個(gè)新的研究方向。在現(xiàn)代自動(dòng)化設(shè)備的各類控制系統(tǒng)中，壓力的測(cè)控占有很大的比重。自動(dòng)化程度越高，需要測(cè)控的壓力就越多，所使用的壓力傳感器也越多，設(shè)備及其測(cè)控系統(tǒng)的性能在很大程度上依賴于傳感器。隨著壓測(cè)控系統(tǒng)向多傳感器計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)發(fā)展，現(xiàn)有的傳統(tǒng)壓力傳感器已無法滿足要求，而集信息采集、信息處理和數(shù)字通信功能于一身，能自主管理，具有智能化特性的智能壓力傳感器系統(tǒng)成為生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)展的迫切需求。然而，出于智能傳感器系統(tǒng)的研究起步較晚，其理論和實(shí)踐遠(yuǎn)未成熟，離實(shí)際應(yīng)用需求差距很大，尤其是用于壓力測(cè)量的高性能、小體積、低成本智能壓力傳感器系統(tǒng)更是有待于進(jìn)一步開發(fā)。因此，研究丌發(fā)高性能的智能壓力傳感器系統(tǒng)對(duì)于促進(jìn)信息技術(shù)及自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展、提高設(shè)備的性能及自動(dòng)化水平具有不可低估的意義。 第2章智能化壓力傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本文設(shè)計(jì)的智能壓力傳感器提供了一種精確測(cè)量壓力的系統(tǒng)方法，它將三種技術(shù)融為一體：硅壓阻傳感元件，微型計(jì)算機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理。它可為溫度效應(yīng)和非線性度提供補(bǔ)償，并且每臺(tái)傳感器同時(shí)具有數(shù)字輸出和模擬輸出。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，智能壓力傳感器系統(tǒng)采用低價(jià)格、小體積、具有高性能價(jià)格比的8位微處理器(單片機(jī))MSCl21lY5控制，用以實(shí)現(xiàn)傳感器信息的處理、數(shù)字通訊和智能化管理。利用計(jì)算機(jī)現(xiàn)成的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串行口實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的通信，通信速率可達(dá)到57、6kbps。能夠滿足大多數(shù)工業(yè)控制系統(tǒng)的要求，稍加改進(jìn)，即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和網(wǎng)絡(luò)控制，總體結(jié)構(gòu)分為計(jì)算機(jī)和智能壓力傳感器兩部分(參見圖2-1)。圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由于微處理器MSCl211Y5內(nèi)部集成了24位無丟失碼、低噪聲-A/D轉(zhuǎn)換器和16位D/A轉(zhuǎn)換器，所以從壓力傳感元件輸出的信號(hào)可以直接進(jìn)入到微處理器內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部具有可編程增益放大器，可根據(jù)輸入信號(hào)的范圍自動(dòng)設(shè)置增益放大倍數(shù)，A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬信號(hào)數(shù)字化并進(jìn)行數(shù)字濾波后，由MCU根據(jù)從溫度芯片讀來的溫度信號(hào)，從FLASH存儲(chǔ)器中讀取零點(diǎn)、線性度校正系數(shù)后，進(jìn)行溫度補(bǔ)償和非線性補(bǔ)償，然后根據(jù)量程范圍進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換并將其送到內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換器，從而輸出相應(yīng)的電壓值，同時(shí)將壓力以相應(yīng)的單位顯示在顯示器上。其中智能壓力傳感器的硬件電路分為4大部分：電源模塊、傳感器模塊、MCU模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊。電源模塊的功能是為集成芯片提供5V的工作電壓，傳感器模塊用來將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，數(shù)據(jù)輸出模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，MCU模塊是整個(gè)傳感器的核心。本智能壓力傳感器的系統(tǒng)框圖可由圖2-2表示。圖2-2智能壓力傳感器系統(tǒng)框圖2.2系統(tǒng)特點(diǎn)本智能壓力傳感器同時(shí)具有數(shù)字輸出和模擬輸出，并且每臺(tái)傳感器在滿刻度(Fs)壓力范圍對(duì)各種溫度進(jìn)行了校正，因此，它是一個(gè)既非常精確又標(biāo)準(zhǔn)的模擬電壓輸出裝置，也是一個(gè)完善的、具有地址的數(shù)字傳感器。本智能壓力傳感器的主要特點(diǎn)有如下幾方面：(1)可組態(tài)的傳感器本課題所設(shè)計(jì)的傳感器具有優(yōu)異的重復(fù)性和穩(wěn)定性：其壓力信號(hào)可由微處理器設(shè)置為數(shù)字輸出模式，也可以設(shè)置為模擬輸出模式。這些特點(diǎn)使得此傳感器可作為一個(gè)高精確度的標(biāo)準(zhǔn)模擬裝置而不需要連接數(shù)字通訊線路，模擬輸出方式的連接如圖2-3所示。作為用戶可組態(tài)的模擬傳感器，用戶可通過RS-232總線給傳感器組態(tài)，然后現(xiàn)場(chǎng)作為模擬傳感器使用。圖2-3模擬輸出方式的連接(2)遠(yuǎn)程模擬傳感器若帶狀圖表記錄儀或其他模擬輸入裝置正用于監(jiān)視遠(yuǎn)程位置的壓力點(diǎn)，在這種情況下，壓力源必須用管子輸送到傳感器，或模擬輸出信號(hào)必須與帶狀圖本。對(duì)于第2種選擇，傳感器和記錄儀之間的模擬壓力信號(hào)將遭受電氣噪聲、表記錄儀有長(zhǎng)的互連距離。對(duì)于第1種選擇存在明顯的技術(shù)困難和高的實(shí)施成線路干擾和連接器電氣損失。排除線路損失和噪聲源影響的一個(gè)解決辦法是使用一只智能壓力傳感器將壓力信號(hào)以數(shù)字的方式傳送給帶狀記錄儀(參閱圖2-4)。在記錄儀附近使用另一只智能壓力傳感器將信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬形式。圖2-4傳感遠(yuǎn)程模擬壓力(3)傳感器通過RS-485總線聯(lián)網(wǎng)一臺(tái)計(jì)算機(jī)最多可接89個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器具有獨(dú)立的地址。利用這種網(wǎng)絡(luò)模式，用戶可以和一個(gè)傳感器、一組傳感器或網(wǎng)絡(luò)上的所有傳感器進(jìn)行通訊。2.3程序開發(fā)軟件平臺(tái)在硬件電路設(shè)計(jì)好以后，軟件設(shè)計(jì)則是最重要的一個(gè)設(shè)計(jì)部分，由于智能壓力傳感器的大部分智能化功能都是由軟件來完成的，這樣就使得硬件電路設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化和成本低得以實(shí)現(xiàn)。(1)操作系統(tǒng)平臺(tái)：Windows 2000。(2)集成開發(fā)環(huán)境：uVision2 IDE。微處理器MSCl211Y5可支持匯編語言和c語言，用C語言編程可以簡(jiǎn)化編程，可讀性好，調(diào)試方便，所以本系統(tǒng)軟件主程序采用c語言編寫；匯編語言是一種早期出現(xiàn)的低級(jí)語言，至今仍然在工業(yè)上廣泛使用，和高級(jí)語言相比，其最大的特點(diǎn)就是實(shí)時(shí)性好，占用空間小，并且匯編語言程序進(jìn)行數(shù)制轉(zhuǎn)換速度快，所以本系統(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)采集子程序就采用匯編語言編寫。uVision2 IDE集成開發(fā)環(huán)境是Keil soft公司為8051及其兼容產(chǎn)品提供的專門的開發(fā)工具，用戶可以用它來編譯c源碼和匯編源代碼，連接和重新定位目標(biāo)文件和庫文件，創(chuàng)建HEX文件，調(diào)試和仿真目標(biāo)程序。(3)應(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái)：C+Builder。C+Builder是Borland的公司推出的一個(gè)應(yīng)用程序開發(fā)工具。它具有簡(jiǎn)單直觀的圖形用戶界面設(shè)計(jì)，具有人機(jī)交換界面編輯器，應(yīng)用可視化交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)“所見即所得”，使人機(jī)界面的實(shí)現(xiàn)變得簡(jiǎn)單直觀，完善的蓑容性，功能強(qiáng)大的函數(shù)庫等優(yōu)點(diǎn)。2.4本章小結(jié)本章在對(duì)智能壓力傳感器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)敘述的基礎(chǔ)上，對(duì)本傳感器的系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)。本章同時(shí)對(duì)編寫系統(tǒng)軟件的編程語言和選擇的程序開發(fā)軟件平臺(tái)作了闡述。第3章智能化壓力傳感器電路分析智能壓力傳感器在硬件方面主要是簡(jiǎn)化電路，采用幾塊主要功能的芯片加上一些簡(jiǎn)單的外圍電路來實(shí)現(xiàn)，它的大部分功能主要靠軟件來實(shí)現(xiàn)。但是智能壓力傳感器仍然要以傳統(tǒng)壓力傳感器的硬件電路為基礎(chǔ)，這就要求它具備一定的硬件支持電路。我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路時(shí)考慮到微處理器MSCl211Y5具有強(qiáng)大的功能，而且它的性價(jià)比高，且其內(nèi)部具有32k的FLASH存儲(chǔ)器，所以我們選取它。在硬件電路設(shè)計(jì)過程中，大部分芯片的連接都圍繞微處理器MSCl211Y5展開。在設(shè)計(jì)時(shí)，我們盡可能采用直接連接的方式，這樣可以達(dá)到方便制板和簡(jiǎn)化電路的目的。3.1單片機(jī)MSC1211Y5的性能與結(jié)構(gòu)3.1.1MSC1211Y5的特點(diǎn)(1)模擬部分的特點(diǎn)24位無丟失碼、低噪聲(75nV)E-模數(shù)轉(zhuǎn)換器。10Hz數(shù)據(jù)輸出率下有效分辨率可達(dá)22位。可編程增益放大(FGA)調(diào)整范圍：1128。高精確度片內(nèi)基準(zhǔn)電源，精確度：0.2，溫漂510-/。8通道的差分輸入或單端輸入方式。具有片內(nèi)偏移/增益校準(zhǔn)電路：偏移溫度漂移為0.0210-/，增益溫度漂移為0.510-/。可選擇緩沖的輸入方式。(2)數(shù)字特點(diǎn)微控制器內(nèi)核兼容8051CPU。單周期指令執(zhí)行只需4個(gè)時(shí)鐘周期。33MHz時(shí)鐘頻率下單周期指令執(zhí)行速度為8.25MIPS(MIPS=每秒100萬條指令)。(3)存儲(chǔ)器32k的FLASH存儲(chǔ)器。FLASH存儲(chǔ)器可靈活分區(qū)。10萬次擦寫操作，數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)100年。具有在系統(tǒng)編程能力。1.28kB數(shù)據(jù)SRAM。FLASH存儲(chǔ)器可加密。2kB啟動(dòng)ROM。(4)電源管理可編程電源管理模塊?？臻e方式下電流小于1mA。停止方式下電流小于1A。片內(nèi)自動(dòng)上電復(fù)位電路。低電壓檢測(cè)電路。3.2壓阻式硅壓力傳感元件傳感元件位于傳感器系統(tǒng)之首，被測(cè)壓力量須由它轉(zhuǎn)換為電信號(hào)才能供給電路處理，因此它的性能對(duì)傳感器系統(tǒng)有著很大的影響。本課題對(duì)傳感元件的要求是體積小、成本低、準(zhǔn)確度高、可靠性好。傳統(tǒng)的壓力傳感器以機(jī)械結(jié)構(gòu)型的器件為主，它利用液柱高度差或彈性元件的形變來指示壓力，其主要的問題是：尺寸大，份量重和不能提供電學(xué)量輸出等。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，壓力傳感器呈現(xiàn)出半導(dǎo)體化的趨勢(shì)。半導(dǎo)體壓力傳感器的發(fā)展過程中，早期曾出現(xiàn)過壓敏晶體管器件(三極管或二極管)，其封裝較為困難，而且容易失效。壓阻器件是目前應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體壓敏傳感器，并且由于綜合運(yùn)用MEMS工藝與集成電路工藝，半導(dǎo)體壓阻傳感器小型化、集成化提供了可能條件，現(xiàn)階段對(duì)壓阻材料傳感器的研究十分活躍。目前主要的壓阻材料是硅材料，應(yīng)用最為廣泛的是橋式壓力傳感器，橋式壓阻傳感器在相當(dāng)?shù)臅r(shí)間暈都被作為壓阻傳感器的標(biāo)準(zhǔn)電路形式，與之相適應(yīng)的各種調(diào)節(jié)電路也同趨成熟。本系統(tǒng)采用利德電子有限公司的87型(超穩(wěn)定)壓力傳感元件，這種壓阻式硅壓力傳感器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕巧、性能可靠及低功耗等特點(diǎn)，智能壓力傳感器系統(tǒng)采用它作為壓力傳感元件，有利于降低成本，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。3.2.1結(jié)構(gòu)此傳感器為一種微型壓阻式硅壓力傳感器，它專為OEM應(yīng)用而設(shè)計(jì)，與腐蝕性介質(zhì)兼容。傳感芯片安裝在TO型的敏感頭上，在封裝上焊著一層316不銹鋼盤旋膜片，在膜片和傳感器元件之間密封了適量的硅油，ISO壓力外殼利用硅油壓力從316不銹鋼膜片上傳遞到壓阻元件上，其結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。其中2腳是供電電流的正輸入端，3腳為負(fù)輸入端，5、6腳是增益調(diào)節(jié)端，1、4腳分別為輸出端的負(fù)極和正極。圖3-287型(超穩(wěn)定)壓力傳感元件結(jié)構(gòu)3.2.2性能參數(shù)表3-1列出了87型(超穩(wěn)定)壓力傳感元件在電源電流為1.5mA，室溫是25條件下的性能參數(shù)。表3-1壓力傳感器性能參數(shù)參數(shù)最小最小最大單位備注滿量程輸出75100125mV1零壓失調(diào)-101mV-壓力非線性-0.25-0.25%量程2壓力遲滯-50-V-輸入輸出電阻200027504000-溫度誤差-滿量程-0.75-+0.75%量程3溫度誤差-失調(diào)-0.75+0.75%量程3熱遲滯-滿量程-0.05-%量程3熱遲滯-失調(diào)-0.05-%量程3供電電流0.51.52.0mA-輸出負(fù)載電阻5-M4絕緣電阻（50VDC）50-M5補(bǔ)償溫度-20+85工作溫度-40+125存貯溫度-55+125介質(zhì)-壓力口與316不銹鋼兼容的液體、氣體介質(zhì)-參考口和硅、硼硅酸玻璃、金、氟化物橡膠，與316不銹鋼兼容的液體、氣體重量11克注釋：1、所有的3000psi和5000psi的測(cè)試點(diǎn)為2500psi。2、最佳直線擬合。3、溫度范圍：-20+85。4、輸出電阻可以減少因輸出負(fù)載引起的測(cè)量誤差。5、在外殼和傳感器敏感元件之間。3.3串行通訊的實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)經(jīng)微處理器處理后，傳送到遠(yuǎn)方的PC機(jī)，以便達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。以微處理器為主體構(gòu)成的分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，因?yàn)槠潆娐方Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠性高而被廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制中。目前廣泛使用的微處理器產(chǎn)品都集成了串行通信接口，使用串行通信接口，通過RS-485接口驅(qū)動(dòng)芯片就可以構(gòu)成總線型通信網(wǎng)絡(luò)，把多臺(tái)微處理器系統(tǒng)連接成一個(gè)分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。但為了克服微處理器的不足，引入了主機(jī)，采用主從式結(jié)構(gòu)模式，即PC機(jī)為主機(jī)，分布在現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)微處理器系統(tǒng)為從機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。圖3-3主從結(jié)構(gòu)框圖主機(jī)串行口采用標(biāo)準(zhǔn)的RS-232口，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定：RS-232采用負(fù)邏輯，并且傳輸距離短，一般用于20米以內(nèi)的通信。而對(duì)于大多數(shù)分布式控制系統(tǒng)，通信距離為幾十米到幾千米不等，因此，RS-232接口不能滿足系統(tǒng)的要求，目前廣泛采用的是RS-485收發(fā)器。RS-485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力，加上收發(fā)器具有高的靈敏度，能檢測(cè)低達(dá)200mV的電壓，故傳輸信號(hào)在千米以外得到恢復(fù)。在該設(shè)計(jì)中，使用TI公司的RS-485接口芯片75LBCl84，它使用單一電源，電壓在3.5-5V范圍內(nèi)都能正常工作，能完成TTL與RS-485之間的轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)的通信接口電路如圖3-4所示。該芯片與普通的RS-485收發(fā)器的性能相比，有一個(gè)顯著的特點(diǎn)，那就是片內(nèi)有高能量瞬變干擾保護(hù)裝置，可以承受峰值為400W(典型值)的過壓瞬變，故它能顯著提高防止雷電損壞器件的可靠性。對(duì)一些環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場(chǎng)，可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護(hù)元件。該芯片還有一個(gè)獨(dú)特的設(shè)計(jì)，當(dāng)輸入端開路時(shí)，其輸出為高電平，這樣可保證在接收器輸入端電纜有開路故障時(shí)，不影響系統(tǒng)的正常工作。另外，它的輸入阻抗為RS-485標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗的2倍(24kk)，故可以在總線上連接64個(gè)收發(fā)器。圖3-475LBCl84接口電路原理圖實(shí)際應(yīng)用中，由于大都數(shù)普通PC機(jī)只有常用的RS-232串行通信口，而不具備RS-485通信接口。因此，為了實(shí)現(xiàn)RS-485協(xié)議的串行通信，必須在PC機(jī)側(cè)配置RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換器，或者購買適合PC機(jī)的RS-485卡。由于后者價(jià)格較高，且一般帶有廠方編寫的驅(qū)動(dòng)程序，軟件程序員還需要了解相應(yīng)的應(yīng)用函數(shù)，增加了調(diào)試的難度。為了避開采用RS-485通信協(xié)議的上述問題，我們決定自制RS一485/RS-232轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)傳感器與上位機(jī)之間的通信，RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換器電路如圖3-5所示。上位機(jī)串行口輸出的RS-232電平信號(hào)經(jīng)過由MAX232、MAX491E組成的通信轉(zhuǎn)換電路后，輸出標(biāo)準(zhǔn)的RS-485電平信號(hào)。由此，便可構(gòu)成一個(gè)完整的上位機(jī)從RS-232到RS-485電平轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)傳感器向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，計(jì)算機(jī)處于接收狀態(tài)，TXD腳無輸出信號(hào)，MAX491E處于接收狀態(tài)，RS-485電平通過MAX232、MAX491E組成的通信轉(zhuǎn)換電路后，輸出標(biāo)準(zhǔn)的RS-232電平信號(hào)。圖3-5RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換器原理圖3.4本章小結(jié)本章分析了系統(tǒng)主要硬件的組成部分，并對(duì)系統(tǒng)的主要元器件的電路和特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)討論了微處理器MSCl211Y5和壓阻式硅壓力傳感元件的特點(diǎn)，并給出了傳感器的接121電路原理圖和RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換原理圖。第4章智能化壓力傳感器軟件系統(tǒng)的分析4.1系統(tǒng)程序軟件是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，系統(tǒng)的人機(jī)對(duì)話、數(shù)據(jù)的輸入輸出、數(shù)據(jù)處理等功能都通過軟件來實(shí)現(xiàn)的。因此開發(fā)一個(gè)性能優(yōu)良的應(yīng)用軟件是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行的重要前提。系統(tǒng)控制軟件采用軟件工程方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，使軟件具有商度的可擴(kuò)充性和可維護(hù)性。軟件編程語言對(duì)編程思想和編程效率影響很大，對(duì)于5l系列的單片機(jī)，現(xiàn)在有四種語言支持，即PL/M、BASIC、C和匯編。PL/M和BASIC不適合本系統(tǒng)，BASIC語言通常附在PC機(jī)上，是初學(xué)編程的第一種語言，由于逐行解釋自然很慢，每一行必須在執(zhí)行時(shí)轉(zhuǎn)換成機(jī)器代碼，需要花費(fèi)很多時(shí)問不能做到實(shí)時(shí)性，適用于要求編程簡(jiǎn)單而對(duì)編程效率或運(yùn)行速度要求不高的場(chǎng)合；PL/M是Intel從8080微處理器開始為其系列產(chǎn)品開發(fā)的編程語言。它很像PASCAL語言，是一種結(jié)構(gòu)化語言，但它使用關(guān)鍵字去定義結(jié)構(gòu)。PL/M編譯器很像好的匯編器一樣能產(chǎn)生緊湊代碼。PL/M總的來說是“高級(jí)匯編語言”，可詳細(xì)控制代碼的生成。但對(duì)805l內(nèi)核的微處理器，PL/M不支持復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算、浮點(diǎn)變量且無豐富的庫函數(shù)支持。在本系統(tǒng)中由于有一定量的浮點(diǎn)運(yùn)算并且對(duì)數(shù)據(jù)處理要求實(shí)時(shí)性，故不選用這兩種語言。本系統(tǒng)采用匯編語言和C語言編寫程序，并以Keil的C5l編譯器為工具，開發(fā)C語言和匯編語言。KeilC51的標(biāo)準(zhǔn)C編譯器為8051微處理器的軟件開發(fā)提供了C語言環(huán)境，同時(shí)保留了匯編代碼高效、快速的特點(diǎn)。C5l編譯器的功能不斷增強(qiáng)，使設(shè)計(jì)者可以更加貼近CPU本身及其他的衍生產(chǎn)品。C51已被完全集成到uVision2的集成開發(fā)環(huán)境中，這個(gè)集成環(huán)境包含C51編譯器、A51宏匯編器、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、項(xiàng)目管理器、調(diào)試器。uVision2 IDE可為它們提供單一麗靈活的開發(fā)環(huán)境。，在這個(gè)環(huán)境中可以完成編輯、編譯、仿真、調(diào)試、下載等功能。4.1.1系統(tǒng)主程序流程圖軟件的設(shè)計(jì)完全按照結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法來完成，將整個(gè)程序細(xì)細(xì)劃分為若干個(gè)子程序(模塊)，方便調(diào)試與檢查。有了各個(gè)功能塊的軟件實(shí)現(xiàn)方法，軟件的總體設(shè)計(jì)就變得簡(jiǎn)單了，軟件設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的思想就是采用模塊化設(shè)計(jì)，撼把一個(gè)大任務(wù)分分解成若干個(gè)小任務(wù)，分別編制實(shí)現(xiàn)這些小任務(wù)的子程序，然后將子程序按照總體要求組裝起來，就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)大任務(wù)了。這種思路對(duì)于可重復(fù)使用的子程序顯得尤為優(yōu)越，因?yàn)椴粌H程序結(jié)構(gòu)清晰，而節(jié)約程序存儲(chǔ)空間。圖4-1為系統(tǒng)主程序流程圖。圖4-1系統(tǒng)主程序框圖智能壓力傳感器軟件以下幾個(gè)模塊： (1)對(duì)微處理器MSCl211Y5的各種寄存器、A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換進(jìn)行初始化。(2)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的校準(zhǔn)包括各通道增益、零點(diǎn)漂移校正。(3)現(xiàn)場(chǎng)壓力和溫度數(shù)據(jù)的采集。(4)壓力傳感器的溫度補(bǔ)償和非線性補(bǔ)償。(5)A/D輸出，D/A數(shù)據(jù)輸出。(6)與上位機(jī)的通訊。4.2非線性補(bǔ)償算法分析與實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的線性度(非線性誤差)是影響系統(tǒng)精確度的重要指標(biāo)之一。為了實(shí)現(xiàn)傳感器的輸入一輸出特性是一條直線，也就是說在測(cè)量范圍內(nèi)傳感器的靈敏度是一不變的常數(shù)，單單從傳感器本身的設(shè)計(jì)方面以及從電路環(huán)節(jié)精心設(shè)計(jì)非線性電路，需要花費(fèi)大量的人力和物力而效果常常不理想。作為智能壓力傳感器系統(tǒng)的一個(gè)部分，用軟件進(jìn)行傳感器的非線性補(bǔ)償，使輸出的數(shù)字量與被測(cè)物理量之間呈線性關(guān)系。這種方法有許多優(yōu)點(diǎn)，首先它省去了復(fù)雜的補(bǔ)償硬件電路，簡(jiǎn)化裝置；其次可以發(fā)揮計(jì)算機(jī)的智能作用，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和精確度。采用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)線性化，一般有兩種方法：查表法和插值法。查表法所獲得數(shù)據(jù)線性度，除與A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有很大關(guān)系之外，還與表格數(shù)據(jù)多少有關(guān)。位數(shù)多和數(shù)據(jù)多則線性度好，但轉(zhuǎn)換位數(shù)多則價(jià)格昂貴；數(shù)據(jù)多則要占據(jù)相當(dāng)大的存貯容量。因此，本系統(tǒng)采用線性插值法代替單純查表法，以減少標(biāo)定點(diǎn)，對(duì)標(biāo)定點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)采用插值計(jì)算，以減少誤差，提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。線性插值法又叫折線法，是一種常用插值方法。如圖4-2所示是傳感器的輸入輸出特性，為被測(cè)參量，為輸出電量，它們是非線性關(guān)系，設(shè)。把圖4-2中的輸入分成n個(gè)均勻的區(qū)間，每個(gè)區(qū)間的端點(diǎn)都對(duì)應(yīng)于一個(gè)輸出，把這些，編織成表格存貯起來。實(shí)際的測(cè)量值一定會(huì)落在某個(gè)區(qū)間(，)內(nèi)，即。線性插值法的基本思想是用通過n+1個(gè)插值結(jié)點(diǎn)的n段直線來代替函數(shù)的值。在數(shù)學(xué)上可用下述簡(jiǎn)單公式表示： （4-1）式中系數(shù)可用(4-2)式表示： （4-2）當(dāng)檢測(cè)值確定后，首先通過查表,確定所在區(qū)間，再順序調(diào)到通過(4-2)式預(yù)先計(jì)算好的系數(shù)項(xiàng)，然后代入插值公式(4-1)計(jì)算出。采用線性插值法，只要段數(shù)分得足夠多，就可以達(dá)到必要的計(jì)算精確度，但這需要增加大量的分段數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量。因此，在滿足本系統(tǒng)精確度前提下，選取分段數(shù)n等于10，以減少標(biāo)定點(diǎn)數(shù)和內(nèi)存容量，并提高運(yùn)算速度。圖4-2傳感器的輸入輸出特性4.3溫度補(bǔ)償算法分析及實(shí)現(xiàn)對(duì)高精確度傳感器，溫度誤差已成為提高其性能的嚴(yán)重障礙，特別是在環(huán)境溫度變化較大的應(yīng)用場(chǎng)合更是如此。智能儀器可以將溫度誤差模型及校正算式存儲(chǔ)在內(nèi)部的微處理器中，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度誤差修正。但是在對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理時(shí)，面臨的聞?lì)}是在對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定和測(cè)試時(shí)得到的數(shù)據(jù)是一系列離散的測(cè)量值，如何尋找一個(gè)解析函數(shù)來描述這一系列測(cè)量值是十分關(guān)鍵的。對(duì)于這個(gè)問題有插值、曲線擬合和查表法等幾種常用方法。在插值法里，數(shù)據(jù)假定是正確的，要求以某種方法描述數(shù)據(jù)之間所發(fā)生的情況。在曲線擬合方法就是設(shè)法找出某條光滑曲線，它是最佳的擬合數(shù)據(jù)，但不必要經(jīng)過任何數(shù)據(jù)點(diǎn)。查表法是預(yù)先將一系列參數(shù)裝入一個(gè)參數(shù)表內(nèi)，獲得測(cè)量數(shù)據(jù)后，根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行處理。查表法需要占用很大的存儲(chǔ)空間，不適用于微處理器系統(tǒng)。本文溫度補(bǔ)償技術(shù)采用的是利用三次樣條函數(shù)的二維插值，建立起傳感器輸出和輸入與溫度變量的準(zhǔn)確的輸出特性曲面的擬合方法。它可以有效的消除交叉靈敏度的影響，使每個(gè)測(cè)量值的準(zhǔn)確度都獲得提高。4.3.1三次樣條函數(shù)插值的算法原理及方法樣條函數(shù)的種類很多，但計(jì)算簡(jiǎn)單用得最多是多項(xiàng)式樣條，特別是三次樣條函數(shù)。三次樣條函數(shù)定義如下：給定區(qū)間將其劃分為，若函數(shù)滿足：(1)每個(gè)小區(qū)間為次數(shù)是三次的多項(xiàng)式：(2)(即函數(shù)在上二階導(dǎo)數(shù)連續(xù))，則為上的三次樣條函數(shù)，亦稱三次樣條插值函數(shù)。對(duì)于給定插值點(diǎn)，則有： （4-3）令為在處的導(dǎo)數(shù)值，即： （4-4）則由上述兩個(gè)條件可得：1、在的每個(gè)子區(qū)間有： (4-5)式中： 2、關(guān)于參數(shù)的方程組為： （4-6）方程組中： 若所給插值問題在處滿足條件： （4-7）即在區(qū)間以外，插值曲線直線延伸，則可得到： （4-8）將方程組(4-7)，(4-8)聯(lián)立，可以求得將其帶入(4-5)式，可以求得的插值函數(shù)，從而進(jìn)行插值。所謂三樣條曲線就是出一段一段的三次多項(xiàng)式曲線拼接而成的曲線，在拼接處不僅函數(shù)是連續(xù)的，而且一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)也是連續(xù)的，所以三次樣條函數(shù)具有良好的光滑性。由于傳感器輸出量u是被測(cè)量壓力p和溫度變量t的二元函數(shù)，則傳感器的輸出特性函數(shù)為：u=f(p,t)。由此可見傳感器的輸出特性函數(shù)是一三維曲面，所以我們?cè)趯?duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，不僅要對(duì)被測(cè)壓力p進(jìn)行標(biāo)定，而且要對(duì)溫度變量t進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定點(diǎn)在p-t平面的投影為一矩形，對(duì)f(p,t)進(jìn)行二維插值，就可以得到傳感器輸出特性函數(shù)的三維曲面。由三次樣條函數(shù)插值的唯一性可知，對(duì)于任意給定的(p,t)，就可以唯一地確定傳感器的輸出量u。本文所用的二維插值實(shí)際上是先對(duì)被測(cè)壓力p進(jìn)行三次樣條插值，然后再對(duì)溫度變量t進(jìn)行三次樣條插值。4.3.2傳感器溫度軟件補(bǔ)償原理及實(shí)現(xiàn)由于周圍環(huán)境溫度變化而引起傳感器的附加誤差，可以采用軟件的方法來修正，其基本思路是：在傳感器內(nèi)靠近對(duì)溫度敏感的部件處，安裝一個(gè)測(cè)溫元件，用以檢測(cè)傳感器所在環(huán)境的溫度；把測(cè)溫元件的輸出經(jīng)過多路開關(guān)與信號(hào)同一路徑送入CPU(或者采用多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié))，根據(jù)溫度誤差的數(shù)學(xué)模型去補(bǔ)償被測(cè)信號(hào)，以達(dá)到精確測(cè)量的目的。其中溫度誤差修正模型是根據(jù)具體的傳感器溫度特性